プロテアーゼ

タンパク質は、ペプチド鎖を分解するプロテアーゼまたはプロテイナーゼと呼ばれる酵素によって分解されます。これらの酵素は、タンパク質のターンオーバー、消化、免疫応答、血液凝固、細胞シグナル伝達など、多くの生物学的機能に必要です。ウイルスや細菌から人間に至るまで、すべての生物に存在する普遍的な分子として、プロテアーゼは真に普遍的です。数千種類のプロテアーゼが特定されており、それぞれ異なる種で独自の機能を持っています。タンパク質を分解または修飾する正確な能力により、プロテアーゼは研究と産業の両方で不可欠な存在となっています。Creative Enzymesは、さまざまな産業や研究の用途に対応する多機能のプロテアーゼを幅広く提供できることを光栄に思います。プロテアーゼの触媒メカニズム、多様性とさまざまな応用を私たちと一緒に探求し、必要な製品を見つけてください！

プロテアーゼの酵素メカニズム

プロテアーゼは、アミノ酸をつなぐペプチド鎖を加水分解します。プロテアーゼの一般的な活性メカニズムは、ペプチド結合のカルボニル炭素に対する求核攻撃を含み、その結果、結合が切断されアミノ酸断片が放出されます。プロテアーゼは、通常、セリンプロテアーゼ、システインプロテアーゼ、アスパラギン酸プロテアーゼ、メタロプロテアーゼとして、その触媒活性に基づいて分類されます。

• セリンプロテアーゼ: これらの酵素は、ペプチド結合に対する求核攻撃を開始するために、活性部位にセリン残基を使用します。この反応には、セリン、ヒスチジン、アスパラギン酸の触媒三重体が重要です。一般的な例には、トリプシン、キモトリプシン、およびトロンビンが含まれます。
• システインプロテアーゼ: このグループでは、システイン残基が求核剤として機能し、ヒスチジン残基が一般的な塩基としてサポートします。パパインやカスパーゼは、著名なシステインプロテアーゼです。
• アスパラギン酸プロテアーゼ: アスパラギン酸プロテアーゼは、ペプチド結合を攻撃する水分子を活性化する2つのアスパラギン酸残基を持っています。例としては、HIVプロテアーゼやペプシンがあります。
• メタロプロテアーゼ: これらのプロテアーゼは、ペプチド結合の加水分解を促進するために、通常は亜鉛の金属イオンを必要とします。金属イオンは水分子と配位し、ペプチド結合への攻撃を開始します。マトリックスメタロプロテアーゼ（MMPs）やサーモリシンは、典型的なメタロプロテアーゼです。

制御されていないタンパク質の分解を防ぐために、プロテアーゼの活性は慎重に制御されています。この調節は、プロテアーゼの活性を阻害し、酵素の不活性型であるジモゲンの活性化や、プロテアーゼ阻害剤の作用を通じて達成されます。

図1: 哺乳類プロテアーゼの触媒メカニズム。プロテアーゼの5つの主要な触媒クラスは、四面体中間体を安定化させるために、2つの根本的に異なる触媒メカニズムを使用します。セリン、システイン、スレオニンプロテアーゼでは、触媒部位の求核剤はアミノ酸の一部（共有結合触媒）ですが、メタロプロテアーゼやアスパラギン酸プロテアーゼでは、求核剤は活性化された水分子（非共有結合触媒）です。共有結合触媒では、ヒスチジンが通常塩基として機能しますが、非共有結合触媒では、アスパラギン酸またはグルタミン酸残基と亜鉛（メタロプロテアーゼ）が酸と塩基として機能します。2つのグループのもう一つの違いは、四面体中間体から反応生成物が形成されることで、システインおよびセリンプロテアーゼの場合は追加の中間体ステップ（アシル酵素中間体）が必要です（Turk, 2006）。

異なる認識部位を持つプロテアーゼ選択ガイド

プロテアーゼの生物多様性

プロテアーゼは、動物、植物、真菌、細菌、古細菌、ウイルスに見られる非常に多様な酵素です。この多様性は、生物学的システムにおける多くの重要な役割を強調しています。

• 動物プロテアーゼ: 動物では、プロテアーゼは消化（例：トリプシンやペプシン）、免疫系の応答（例：細胞死を調節するカスパーゼ）、および血液凝固（例：トロンビン）において重要な役割を果たします。この多様性により、動物はこれらの重要なプロセスを細かく制御することができます。
• 植物プロテアーゼ: 植物では、プロテアーゼはタンパク質のリサイクル、防御、プログラムされた細胞死をサポートします。パパイヤからのパパインのようなシステインプロテアーゼは、種子の発芽や病原体抵抗性などのプロセスに特に重要です。
• 微生物プロテアーゼ: 微生物は、環境中のタンパク質を分解し、栄養を提供するためにプロテアーゼを生成します。Bacillus種からの微生物プロテアーゼのいくつかは、極端な条件に耐える能力から、産業で広く使用されています。真菌も、チーズ製造プロセスなどの食品生産を助けるプロテアーゼを生成します。
• ウイルスプロテアーゼ: 多くのウイルスは、ライフサイクルに不可欠なプロテアーゼをコードしています。例えば、HIVプロテアーゼは、ウイルスポリプロテインを機能的なタンパク質に加工する重要なステップであり、抗ウイルス薬の標的となっています。

異なる特性を持つプロテアーゼ選択ガイド

プロテアーゼの産業および研究における応用

プロテアーゼは、制御された条件下でタンパク質を効率的に分解する能力から、産業や研究で広く使用されています。

研究

科学研究において、プロテアーゼはさまざまな目的で使用されます。細胞培養では、トリプシンのような酵素が細胞を分離するのに不可欠です。質量分析に基づくプロテオミクスでは、プロテアーゼがタンパク質をペプチドに切断し、構造解析を行います。また、酵素の機能、タンパク質相互作用、薬物スクリーニングの研究にも重要です。

製薬

プロテアーゼは、治療用タンパク質やペプチドの生産に関与しています。例えば、インスリンの生産では、不要なペプチド鎖を除去するために使用されます。研究者は、異常なプロテアーゼ活性が腫瘍の成長に関連しているため、がん治療のためのプロテアーゼの研究も行っています。

食品産業

プロテアーゼは、さまざまな食品の食感、風味、消化性を改善します。例えば、チーズ製造では、プロテアーゼキモシンを含むレンネットが乳タンパク質を凝固させるのに役立ちます。プロテアーゼはまた、肉を柔らかくし、スープやソースに風味を加えるタンパク質加水分解物を生成します。

洗剤産業

プロテアーゼは、血液や食品などのタンパク質ベースの汚れを取り除くのに役立つ洗剤に不可欠です。Bacillus種からの細菌性プロテアーゼは、高温およびアルカリ性pHレベルでの安定性から特に有用です。

バイオレメディエーション

バイオレメディエーションでは、プロテアーゼが廃水や産業廃棄物に見られるタンパク質ベースの汚染物質を分解するのに役立ちます。動物や食品産業からの廃棄物の処理に特に有用で、処理すべきタンパク質材料が豊富にあります。

図2: 様々な産業/分野におけるプロテアーゼ酵素の応用（Solanki et al., 2021）。

産業用プロテアーゼ選択ガイド

要するに、プロテアーゼはさまざまな生物学的プロセスにおいて重要な役割を果たす重要な酵素群です。自然の生物システムだけでなく、多くの産業でも貴重です。食品生産から製薬、バイオレメディエーションに至るまでの幅広い応用は、今日の科学と技術における彼らの多様性と重要性を示しています。

Creative Enzymesは、幅広いプロテアーゼ製品を提供しています。これらのプロテアーゼは、異なる供給源、活性、特異性を含むさまざまな特性を持っています。ネイティブまたは組換え酵素、または特別な条件下での酵素が必要な場合でも、私たちがサポートします。ご質問がある場合は、ぜひお問い合わせください！